现代植病新概念和新理论

现代植病新概念和新理论

(一)植物病原学的发展1.植物病的不能再染植物而使植物发挥检测作用在植物病理学中，疾病是首先发展的。在百余年前,还不清楚植物为何生病的年代,研究的对象都是真菌,而植物病理学形成一门学科,是从真菌病害出发的,例如Tillet(1714—1791)和(1755—1819)研究黑粉菌。如所周知,把真菌学转向病理学研究的是由A.DeBary(1831—1888)研究小麦杆锈菌的寄生性和马铃薯疫病菌的生活史开始的,最早的病原学实际上是真菌学。人类了解到细菌可以感染人和家畜生病以后20年,才开始有人证实细菌也能感染植物而使植物生病,这将归功于T.J.Burrill在1878年发见梨火疫病是由细菌所致.而1883—84之间J.H.Wakker也报告风信子的黄化病是由细菌所致。这些是现代植物病原细菌学(Phytobacteriology)的开端。线虫的研究是比较早的,1866年在欧洲就有A.Schneider等发表各种《线虫志》,而涉及到植物线虫病的则有N.A.Cobb(1914年起),T.Goodey(1923年起)和G.Steiner(1924年起)等的研究工作。原来在植物病原学中占较不重要的地位,而在60年代以后很快就发展成为植物病原线虫学(Phytonematology)。植物病毒是认识和发展得较晚的一种病原。虽然早在1869到1906年之间,有德国人AdolfMayer(1886),俄国人D.Ivanowski(1892)和荷兰人M.W.Beijerinck(1898)都证实了一种显微镜视外的传染物能使植物生病;但病原物的本质等到1935年W.M.Stanley以及1937年F.C.Bawden和N.W.Pirie搞清楚病毒的组成是核酸和核蛋白,并于1939年Kausche等用电子显微镜摄出了第一张植物病毒粒体的照片之后,逐使其后的三十余年间能形成一门现代的植物病毒学(Phytovirology)。在此基础上,由土居养二(1967)证实了类菌原体和1972年由T.O.Diener证实了类病毒的存在,从而把一些类似病毒病的病原物区分开来了。以前一直没有被人重视的原生动物(植原虫)病原也受到了注意。2.关于非侵蚀性病害的三不管领域植物病理;学工作者并非不知道有许多病害是由环境条件和生理因素所造成,德国P.Sorauer等在1908年写的《植物病害汇编》和在美国由F.D.Heald写的《植物病害汇编》(1926年出版,1933年再版)中,把非侵染性病害写得很详细,但是不知为了什么,过去一直没有把这些植病原因放在植病工作者的研究范围之内,而是很客气地让给植物生理学或土壤肥料学家去处理。实际上,非侵染性病害成为一个三不管的领域。植物生理学家对光合作用、呼吸作用和温湿度对植物生长发育的影响等很感兴趣,但对这些因素直接或间接诱发病害,则很少有人过问。直到1976年才由许多植病、生理和生化工作者编写出了一部《植病生理学》;但这部书并不是非侵染性病理学,而是许多侵染性病害的生理学。土壤肥料学家对于缺素诊断是注意的,不过只满足于土质的改进和最适肥料配方的研制,也很少深入研究缺素的病理解剖和细胞病理问题。至于空气污染和农药中毒是比较新的问题,由谁来结合污染病理和中毒病理加以研究,似乎也没有划定界线。我认为植物生理病害和污染病害应该属于植物病理学的范畴以内。(二)入侵和疾病过程的生物化学1.真菌细胞的实生植物是一种双胞侵染的意思是病原物接触寄主植物的表皮,如果植物表皮细胞的分子和病原物孢子或菌丝之间有亲和性,那么分子之间的键就互相勾结而产生粘着力,从而得以有一个力的据点,使芽管以机械力或同时再用酶的消解作用,锲入表皮。有时则在芽管的顶端产生一个压力胞,再以同样的方式锲入。大多数真菌的线虫在侵入表皮时,分泌的是角质酶(Chtinases)和纤维素酶(Cellulases),当进入细胞后,则产生多种蛋白酶(Proteinase)。细菌只能从气孔或伤口等侵入,首先要消解中胶层,因此常分泌果胶酶(Pectinases)。病毒、类病毒和类细菌是都能进入寄主细胞的,至少病毒和类病毒本身不带有分解细胞微结构的酶,但是能够刺激或诱导细胞产生某些酶用于保卫反应,而促使细胞的生理紊乱甚至枯死,或导致生长素的失去平衡,从而生长畸形。许多木材腐朽菌都能在侵染中分泌角质酶,木质酶和纤维素酶。2.处理对原生质的毒副反应这里指的毒素是由病原物在培养基中或在寄主细胞内产生的物质,它们可以对发病和症状表现起一定的作用。这类毒素的产生是由病原物的基因控制的,不同于寄主在保卫反映中产生的植物保卫素(Phytoaleyin)。这类毒素常常作用于原生质而发生坏死,或者作用于原生质膜,干扰了正常的渗透作用。近年来开始研究这种与发病有关的毒素,数量还不多,有一些著名的如导致燕麦叶斑的维多利素(Helminthosporiumavenae产生的Victorin),使水稻产生黄化,条斑和矮化的稻瘟素(Pyriculariaoryzae产生Pyricularin即α-picolinicacid吡啶-2-羟酸),使烟草产生野火病坏死斑的烟草毒素(Pseudomonastabaci产生Tabatoxin),此外镰刀菌(Fusariumspp,)能产生多种毒素,其中有镰刀菌素(Fusarin)、镰刀菌酸(Fusaricacid)和番茄萎蔫素(Lycomarasmin)。这些都有导致番茄萎蔫的作用。3.植物病害症状中的酶学机制这类物质既可能由病原物如真菌、细菌、类细菌和线虫在侵染过程中分泌出来,也可能受到如病毒或类病毒之类的病原物对细胞的刺激或诱导而失去原有的平衡,或激发出一种新的生长物质。如所周知,激素往往和改变细胞的体积、形态和分裂速度有关,因此具有改变生长的量和质的作用。在真菌方面,疫菌、黑粉菌和锈菌都能分泌吲哚-3-乙酸(IAA),使植物组织局部肿大。裸菌方面如根肿菌(Plasmodiophhora)能分泌生长素诱致根部的肿大。细菌方面如根癌菌(Agrobacteriumtumefacien)的激素诱发肿瘤。水稻的恶苗病菌(Gibberellafujikuroi)能分泌赤霉素(Gibberellin),使稻苗徒长。有些线虫在特定的情况下,也能分泌此类生长物质,使受侵植株看起来好象长得高大些。胞裂素(Cytokinins)是植物激素之一,可以刺激植物细胞的分裂和分化。例如扁化棒杆细菌(Corynebacteriumfasciens)产生胞裂素诱致豌豆等的丛枝症。植物所含胞裂素的水平往往和它们抗病毒性有关。例如番茄抗TMV品种的胞裂素水平很高,而感病品种则较低。如果用83-增抗剂处理,则低胞裂素水平可以提高到接近抗病品种。生长物质对植物病害症状表现的关系非常密切。植物的超高激素水平(Hyperauxiny)可以由于IAA-氧化酶的被抑制而发生。这种酶是调节植物正常激素水平的要素,缺少它,就会发生生理的扰乱,从而发病。例如番茄被黄萎病菌(Verticilliumalbotrnm)寄生后的发病以及咖啡树疫病被黄脐菇(Omphaliaflavida)寄生而发病。这些都是由于病原物分泌了分解生长素的酶后,才发病的。4.葡萄糖tolachaid多数病原物有可能产生多糖类物质。这类物质容易形成输导系统中的栓塞物,从而阻塞输导系统而发生萎蔫。(三)抗病性疾病的机制1.感病性和耐病性最高的植物抗病性是免于受侵的,也不受环境的影响,在任何情况下都能抵抗病原物的侵染,因此称作免疫(Immune),其次是抗病(Resistant)。这个词的范围很广,可以高到接近免疫,低到接近感病,而且所谓抗病性是受环境影响的。所以有许多因素可以左右抗病性的表达。病原物的生理小种和营养条件都是重要因素。有一些低度抗病的品种往往在不良的栽培管理之下,表现出感病性来。至于感病(Susceptible)应该是对病原物的侵入毫无抵抗能力。然而人们往往把感病程度区分为高、中、低。这就说明中低度的感病性中,还包含着某种程度的抗性。因此感病这个词的含义和抵抗有重复,是不明确的。至于耐病性(Tolerance)又如何解释?这应该指那些受到侵然后病原物依然能发展,但是它的致病影响较弱或不很显著。高度的耐病就发展成为隐症。这在植物病毒病中有许多所谓潜病毒就属于此类。2.细菌、真菌的感染a.病原物之能侵入植物体,象真菌和线虫那样可以直接锲入表皮细胞。锲入足一种机械力。因此必须有一个着力点。所以首先就要将菌体或孢子黏附在表皮细胞之上。这种黏附力的产生是由于菌体和植物表皮的分子之间具有亲和力,从而能展开它们之间的分子键相结合。由此孢子得以产生芽管和侵入锲,用机械力插入细胞壁。有时也分泌角质酶和纤维素酶使角质消解和细胞壁软化,以帮助侵入。有些细菌和真菌只能通过气孔或伤口侵入,至于病毒则只能凭微伤侵入。至于虫传,至少由虫来造成伤口是不可缺少的一环。线虫的侵入植物很特别,他们一方面用口器的机械力结合酶作用插入组织,同时用虫体的螺旋运动前进。植物的第一道防线主要是角质层和表皮细胞壁的结构,例如很厚的角质层不易突破,多毛的表皮结构往往不易被菌体所附着,因此减少了受侵的机缘(Chance)。植物具有抗蚜虫能力的品种往往不易受蚜传病毒的侵袭。b.限制已侵染病原物的扩展病原物已经侵入之后,真菌的进展依靠生长势和不断的分泌酶来开路。细菌则完全依靠酶和菌落的扩大从细胞间隙或沿着输导系统进展。病毒则经过增殖,通过胞间连丝而扩展。在此过程中,细胞往往能分泌愈伤素,从而生成木栓层来阻遏他们的前进。这种机制对伤口侵入的细菌特别明显。此外,在病毒侵入细胞中以后,细胞产生过敏性反应,形成坏死枯斑,以阻遏病毒前进,称为过敏性抗病性(Hypersensitiveresistance)。细菌和真菌也有这种情况。不过,他们主要是产生多种酶来抑制病原物的生长,使侵入的真菌被限制在局部的范围以内,不能继续扩展。c.减低有毒物质的毒性作用这类抗病机制是由细胞的抗性基因控制的。当细胞受到病原物产生的毒素作用刺激时,便有可能通过基因的作用,产生脱毒素来消除毒素的中毒作用(Detoxication)。d.抑制病原物的生长发育或消灭其侵入的菌体在受到侵染的刺激时,抗病品种产生各种制菌酶,来抑制病原物的生长发育,或使他们停留在不能成熟而产生后代的状态。细胞中产生的各种蛋白酶、纤维素酶和几丁质酶等是用来破坏病原物细胞壁的形成和消解原生质的。这些都是高度抗病机制的表现。3.微生物细胞的诱导表达a.植物的结构抗性和化学抗性(或称为形态抗性和生理抗性)都是由单对基因或多对基因控制的。1973—1974年,英国的P.R.Day提出了抗病性和致病力的基因对基因概念,即所谓gene—for—geneConcept。他认为:寄主如果对病原物的某个株系具有极强的抗性,那么必然是由一些强抗基因所控制,而相应的病原物则是由极弱的致病基因所控制。反之也是如此。如果侵入的是另一个株系,那么对抗的不是原来的一组基因而是另一组基因。这种概念是依据植物的垂直抗性学说而演化出来的。但是很难用以解释水平抗性。毫无疑问,发病是侵染和抗侵染交锋的结果。至于病毒和类病毒则往往要借寄主细胞的能量及物质来增殖自己。他们的致病作用大多是由病毒核酸接触了细胞核酸后,诱导产生了有害物质而发生的。b.植物的DNA首先转录出mRNA,然后进入聚核糖体(Polyribosomes),通过组成氨基酸而组装成蛋白。如果这些蛋白是由抗病基因控制的,那么它们就参与细胞的生物化学反应,由此再产生出对病原物有抵抗作用的化合物。这类抗性物质的种类和抗性的强弱决定了植物抗病性的程度。c.结构基因(StructuralGenes)前面谈到DNA中的抗性基因控制蛋白的合成。这些结构基因的功能是：它们首先转录出讯息RMA(mRNA)和转录RNA(tRNA)。由此来控制合成蛋白的速度和它们的特性。另一类称作操纵基因或操纵子(Operon),它们只是在DNA的某一位点上的一个或一团基因,在起动转录,并合成某些抗性化合物,例如杀菌酚和脱毒素等等。抗性基因也可能是隐潜的,它们的抗性物质必须在内外因素的刺激或诱导下才能表达出来。这些接受刺激或诱导的基因一般是操纵子。除此而外,当基因在表达过程中或者在参与细胞的生物化学反应的过程中,也可能用内外因素加以改变。4.实现植物的抗病性基因工程无非是将有抗性的或能导致抗性的基因组或段移植到一个优质丰产的作物品种中去,从而能保持原有的优质丰产,而又获得了抗病性。对高等植物来说,从无数的基因组团中要能找出这样的基因小段,并用内切酶切割下来,转移到植物细胞的特定部位,例如染色体上,或停留在细胞中的某些微器官内,并能随着细胞的分裂而分裂,说来容易,实行起来却存在着一系列的问题。即使能把这段基因移植到某个染色体上,人们也如何能保证这段外来染色体在表达过程中不干扰别的原有基因的表达?对于植物病毒病来说,利用衣壳蛋白RNA的cDNA转移到植物细胞中去,或利用卫星病毒RNA的cDNA转移到植物细胞中去,都有可能产生对其相应的病毒具有抗性。这种工程在国内已有初步成功的先例。今后的工作只是如何使其转基因植株的抗性能稳定下来,并能在大田中发生若干的抗病作用。此外还要顾到抗性的广谱问题。因此工作并非到此为止。对于真菌和细菌病害来说,情况就复杂得多了。上面谈到高等植物基因的个别移植是非常困难的,但是把一些微生物的制菌酶的基因转移到植物细胞中去的可能就大得多了。这种制菌酶在抑菌作用上往往是广谱性的。因此,一旦成功,它的作用就无可限量。关于这一课题,我们还正在开始摸索。除此以外,我一直主张采用诱导抗性的方法以激发潜在抗性的表达,或者在某些感病丛因或弱抗基因在表达过程中加以转变。人们知道氨氮肥料可以使抗稻瘟病的水稻变得感病,而硝氮的作用则相反。因此目前的问题是要找到有内吸性的诱导物质,从而把不抗病的优良品种诱导出一定水平的抗病性或耐病性。目前我们研制的83-增抗剂对茄科植物的病毒包括TMV和CMV等能起到的作用如下:(1)体外抑制侵染,包括蚜传；(2)体内有半钝化作用和一定期间的停止扩展作用；(3)能激发出植物的某种迄今未知的生长物质,从而使烟草生长得更好,品质更优。83-增抗剂不过是这类工作的一个开端,要找出一个新的诱导剂并不容易,因此今后这方面有大量的工作可做。(四)生态预防与控制1.叶围和根围对土壤微生物的影响a.我国数千年来,农民对于栽培管理的经验是最好的、最朴素的生态防治。五十年代我曾总结了徐水农民使用高垅栽菜以防治大白菜的软腐病。实际上,这就是生态防治的一种方式,因为高垅改变了白菜基部的环境条件,使伤口不接触水而易于愈伤,从而阻止了细菌的侵入。我相信在广大农民中蕴藏着很多生态防治的经验,有待我们去总结。b.现代的微观生态学(Microecology)植物的叶围和根围都有无数共处的相生、相克的微生物。它们之间在长期共存的情况下,早已形成了一个微生物的平衡。任何外入的客体微生物,如果要能定居在这个范围中,首先要受到相生相克规律的考验,否则会被消灭掉。植病工作者都曾体会过,土壤接种病原物,用消毒土容易成功,而用不消毒土则常常失败。人们也可以用加入特种营养物质来促进某些有益微生物的猛增,从而抑制了一些有害微生物的活动,例如在植物根围加入泥炭或胡敏酸可以促进枯草杆菌的大量繁殖,从而抑制了一些土壤病原菌生活活动。c.植物病害地理学(Plhytopathogeography)。这是近年发展起来的一门学科,主要是研究为什么有些病原物只能限制在某些地理环境中发展为害。如果把它们带到另一个不同的地理环境中去,它们就不能发展,甚至逐渐消亡。这种研究要经过多年的调查和试验,而且要有广大地域性的资料。如果要完成一部世界性的《植病地理学》,也只能由全世界的植病工作者组织起来后才能达到目的,而且非有几十年的时间是无法完成的。如果有了这种资料,那么任何国家要确定植物检疫对象就有了可靠的依据。2.在细胞、菌株和真菌中的应用a.抗病育种:这是生物防治中最基本的、最重要的一环,而且已经起到了巨大的作用。但是育种工作者和生物工程工作者已经认为是它们的专利,因此不预备在这里详细讨论。b.交互保护(CrossProtection)(1)这种作用在微生物界中到处都有,并不限于病毒。当然,最初注意到的是病毒弱株系能保护强株系,但也不是所有的株系都是如此。目前倾向于用病毒的衣壳蛋白和卫星病毒的转基因植株来发展抗病性。(2)在细菌中,往往用非寄生株系来对抗寄生株系,例如梨火疫病(Erwiniaamyl-ovora)就是如此;又如放射农杆菌(Agrobacteriumradioacter)可以用来对抗根癌细菌(Agrobacteriumtumefaciens),此外根癌细菌的株系之间也有交互保护作用。(3)在真菌中也有此现象,甚至还有人工免疫作用,例如瓜类的幼苗接种炭疽菌(Coletotrichumlagenaria)后,如果不死,那么到成株期便对炭疽菌有抗病性。此外在土壤中,非寄生性的菌株往往能对抗寄生性的菌株,例如许多镰刀菌(Fusariumspp.)中就有此现象。3.细菌和真菌的从体制内吸收微生物寄生在真菌体内,使其逐渐丧失其寄生能力和繁殖能力,称之谓超寄生性(Hyperparasitism)。有些细菌如枯草杆菌就能寄生于Pyhium,Fusarium,HHelminthossporium等真菌的体内,使他们丧失侵染能力。噬菌体(Bacteriophage)对植物病原细菌虽然有噬菌作用,但在防病效果上是不显著的。食线虫菌(Nematophagusfungi),如果能在土壤中大量繁殖,那么在防治根线虫病方面可能起到一定的作用。4.土居真菌的影响菌根有外生、内生和内外兼生三大类。由于真菌和植物的根结成了共生体,从而保护了植物根部不受土居真菌的侵染,其中包括Pythium,Phytophthora,Fusarium和Rhizoctonia等。由于菌根还影响到植物的生长发育,因此也必然会影响到它们的抗病能力。这方面的研究资料还太少。5.残留物质对土壤微生物的作用前茬作物遗留